A Cascade Jet Plasma Oxidation─electroreduction System Using Pd‐Ni Dual‐Site Catalyst for Sustainable Ammonia Production from Air

材料科学 催化作用 氨生产 对偶(语法数字) 级联 等离子体 喷射(流体) 化学工程 无机化学 有机化学 航空航天工程 化学 艺术 物理 文学类 量子力学 工程类
作者
Jun Ding,Wenyi Li,Shouxin Zhang,Shu Tang,Zhixian Mao,Haimin Zhang,Jin Meng,Qipu Lin,Yunxia Zhang,Guozhong Wang,Haimin Zhang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202410768
摘要

Abstract Electrocatalytic N 2 reduction reaction (eNRR) has been deemed as an alternative approach to the Haber‐Bosch (H‐B) process for ammonia (NH 3 ) production, but it remains a huge challenge. Here jet plasma oxidation of N 2 is reported in air into NO x and subsequently NO 2 − coupling with electrochemical NO 2 − reduction reaction (pN 2 ─eNO 2 − RR) over PdNi alloying nanoparticles on N‐doped carbon nanotubes (PdNi/N‐CNTs) for NH 3 synthesis. The results demonstrate that the jet plasma reactor possesses excellent gas reforming capacity to achieve the largest NO 2 − yield rate of 30.46 mmol h −1 with a low energy consumption of 2.66 kWh mol N −1 . For subsequent eNO 2 − RR, PdNi/N‐CNTs can afford an NH 3 yield of 34.96 mg h −1 mg cat. −1 and a faradaic efficiency (FE) of 98.21% at −0.38 and 0.02 V (vs RHE), respectively. In situ spectroscopic characterizations combined with theoretical calculations unveil that PdNi/N‐CNTs provide Pd and Ni dual active sites, enabling NO 2 − activation on the Ni site and active H * provision on the Pd site to facilitate eNO 2 − RR. A cascade pN 2 ‐eNO 2 − RR system is constructed for sustainable NH 3 production, achieving a stable NH 3 yield rate of 25.56 mmol h −1 , an average FE >85%, as well as NO x to NH 3 conversion efficiency of 44.62% at constant ampere‐level current with finally collection of gram‐level (NH 4 ) 2 SO 4 product.
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